浅析基于成本控制的结构优化设计

刘盛辉 宋恩建

（1陕西铁路工程职业技术学院 渭南市 714000 2中国中铁航空港建设集团有限公司重庆第四分公司 重庆 404100）

浅析基于成本控制的结构优化设计

刘盛辉1宋恩建2

（1陕西铁路工程职业技术学院 渭南市 714000 2中国中铁航空港建设集团有限公司重庆第四分公司 重庆 404100）

文章提出了结构优化设计的必要性，探讨基于成本控制的钢筋混凝土结构优化设计方法，分析了混凝土和钢筋材料的选择方案对工程造价的影响。最后详细论述了框架柱和框架梁的结构优化方案。

钢筋混凝土；成本控制；结构优化设计

0.引言

建筑结构设计的主要内容：首先需要根据拟建建筑的重要性，建筑设防烈度要求，拟建场地类别、工程地质勘查报告，建筑的功能要求等条件确定拟建建筑的结构形式。然后在确定结构形式的基础上，结合不同结构形式的要求和特点来布置结构的受力构件和承重体系。这里所做的一切都是围绕结构安全这个首要目标来确定的。这项工作也是一个普通结构工程师所具备的基本职业素养。疏不知道有的结构工程师为了保障结构的安全度，盲目的加大结构构件截面尺寸，提高混凝土构件含钢量，这些措施不仅提高了拟建建筑工程造价，更有可能为结构的安全埋下隐患。拒不完全统计结果显示，我国建筑业生产水平与发达国家相比，钢材的消耗量要高出1～2.5个点，每拌合一方混凝土要多损耗0.075t水泥，总体来说我国的建筑业管理技术水平落后，结构设计较不合理，存在明显的浪费资源的现象[2]。而基于成本控制的结构优化设计呼之欲出，这种理念简单地说就是在满足各种规范和要求的条件下，用较经济的结构设计方法去实现建筑的各项功能，这也是符合当下我国坚持可持续发展道路的基本方针政策。基于成本控制的结构优化设计对结构工程师来说，要求就更高了，他需要结构工程师时刻保持成本控制的忧患意识，不断地进行结构设计方案比选。

1.结构选材的方面的结构优化设计

1.1 混凝土材料得选择和优化

钢筋混凝土结构构件所用的建筑材料主要有两种混凝土和钢筋，这两种材料得选择会直接影响结构的安全性和结构的成本。

首选对于混凝土材料的选择必须满足《混凝土结构设计规范》和《建筑抗震设计规范》中要求的最低强度等级，而混凝土材料得强度等级不同，他的材料综合单价也是不同的，一般情况下混凝土材料强度越高综合单价越高[1]。以陕西省2009年建筑消耗量定额及价目表给定的条件进行测算：普通混凝土（坍落度180～220mm）,砾石直径 1～3cm,水泥采用 32.5#普通硅酸盐水泥在不同强度的材料费用，①C20材料费180.85元/m³；②C25材料费186.11元/m³；③C30材料费204.75元/m³；④C35材料费219.44元/m³。由此可见，混凝土强度每提高一级，强度等级在C25及以下单价约增加4%，C25以上单价增加约10%[1]。

混凝土强度等级增加不同结构构件的影响：对混凝土墙、柱而言，可以充分发挥混凝土受压强度高的优点、显著减小柱尺寸，增加建筑实际使用率、提高框架柱抗侧刚度、满足柱剪压比要求；对框架梁而言混凝土强度等级的高低对梁的受弯承载力、截面配筋影响不大; 强度等级越高，梁越容易开裂，不宜采用高强度等级。从强度还是从耐久性角度考虑，选择C25 ～C40 较合适的。因此现浇框架梁的混凝土强度等级不宜大于 C40；对现浇混凝土板而言，凝土强度等级对板的承载力几乎没影响，增大板混凝土等级可能会提高板的构造配筋率，同时还会增加板开裂的可能，在满足强度等级的前提下，尽量采用低强度等级，对现浇板，选择 C25 ～ C30 较合适[3]。由此可见增大混凝土标号比较适合框架柱和剪力墙构件，不适宜应用在框架梁和现浇板上。故，我们可以根据这个特点从梁、板方面选择合理混凝土标号来控制建设成本。

1.2 钢筋的选择和优化

目前使用量非常大的 HPB235级盘圆钢在实际工程中存在钢筋和混凝土之间的粘结力差，材料本身抗拉强度设计值低，同等界面用钢量大等原因，已经逐渐被市场淘汰。现在建筑市场已经转变观念，逐步使用性价比高、节能节材的HRB500和HRB400级钢材。

我们通过实验和测算，对不同强度等级的钢筋作为框架柱纵向受力钢筋进行了简单的对比：HRB500级钢与HRB400级钢对比，强度方面提高了14%而最配筋率减少了0.05%，工程造价增加了9%；HRB500级钢与HRB400级钢对比，强度方面提高了14%而最配筋率减少了0.05%，工程造价增加了9%；HRB500级钢与HRB335级钢对比，强度方面提高了45%而最配筋率减少了0.1%，工程造价增加了8%；HRB400级钢与HRB335级钢对比，强度方面提高了20%而最配筋率减少了0.05%，工程造价增加了4%；HRB335级钢与HRB235级钢对比，强度方面提高了43%而最配筋率和工程造价基本没有发生变化[4]。

通过上面的对比和测算，在实际工程中，钢筋直径在6～8mm优先选用HRB400级钢筋；直径10～12mm可根据自身情况选择HRB400和HRB500级钢筋；直径14及以上优先选用HRB500级钢筋。

2.基于成本控制的钢筋混凝土结构设计优化典型案例

2. 1 框架柱设计的优化

基于框架柱设计取决于轴压比系数，良好的延性是我们对框架柱的期望，而轴压比却跟柱的延性成反比，故在轴压比取值应该适中，这样才能保证柱截面和用钢量过大。根据大量的计算和实践工程我们总结出：①框架柱截面基本成正方形；②避免在工程中出现短柱；③在柱的三种破坏中，尽量让柱的破坏形式为大偏心破坏；④柱的箍筋采用xy方向相等的复合箍筋。在做到以上四点的情况下能够最大限度的提高柱的延性，减少了混凝土和钢材的使用量，从材料和施工工艺上都大大的节约了工程成本。

2.2 框架梁设计的优化

框架梁的纵向受力钢筋主要有梁下部受力钢筋和支座负筋。所以在进行优化设计是主要是控制这两个指标着手。根据大量的计算和实践工程我们总结出：①框架梁的混凝土强度不宜过大；②梁截面尽量采用矩形截面，并增大梁的宽度[5]；③纵向受力钢筋选用高强度螺纹钢。④在进行梁的纵向上部受力钢筋尽量配置单排，当无法避免要使用两排或三排钢筋的时候，严格按照第一排支座负筋取净跨1/3截断，第二排支座负筋取净跨1/3截断的要求，节约用钢量。除了规范要求的通长钢筋，我们一般对框架梁上不钢筋配置成架立钢筋的形式，架立筋在1/3净跨范围内用一般采用直径12或14的螺纹管代替，这种方法完全不影响框架梁的承载力，但是节约钢材上却效果显著。

3 结语

同样一个结构形式的建筑物在不同的结构工程师的笔下会出现几种截然不同的工程造价的建筑物，单从结构设计方面来说没有对错，但是在生产活动中，经济安全的设计方案更能适应社会的需求。故基于成本控制的结构优化设计在当下经济环境下势在必行。当然我们不能在结构优化设计中一味地追求低造价，还要通盘考虑整个建筑的安全、功能、美观、节能环保、便于施工等因素，这才是进行结构优化设计的目的所在。

[1]陕西省建筑装饰市政绿化园林绿化工程价目表.西安：陕西人民出版社，2010.

[2]高新艳，杜秀丽.钢筋混凝土结构优化设计[J].山西建筑 ，2007(8).

[3]GB50011-2001，建筑抗震设计规范[S].

[4]孙大伟，陶志军.浅析建筑结构中的优化设计与应用「J].科技创新与应用，2012(23).

[5]张炳华.土建结构优化设计「M].上海：同济大学出版社，1998·

陕西铁路工程职业技术学院2014年科研基金资助（编号2014-26）

刘盛辉，男，1984年生，四川什邡人，硕士，讲师。

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1007-6344（2016）03-0343-01

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